К исходу 10 августа части Приморской армии под прикрытием сильных арьергардов с боями отошли к Одессе и заняли оборону: 95-я Молдавская стрелковая дивизия генерала В. Ф. Воробьева — на рубеже Старая Вандалинка, Бриновка, станция Карпово; 25-я Чапаевская стрелковая дивизия генерала И. Е. Петрова — станция Карпово, Секретаревка, Мангейм, Кагарлык, Беляевка. Для обеспечения правого фланга Приморской армии вновь сформированные полки морской пехоты и войск НКВД (26-й пограничный полк НКВД майора A. A. Маловского) были направлены к северо-востоку от Одессы и заняли оборону на фронте Александровна, станция Буялык, Павлинка, Старая Вандалинка, составив сводный отряд комбрига Монахова. 1-я кавалерийская дивизия (в отдельных документах значится как бригада. — Примеч. авт.) только что закончила формирование и находилась в Одессе. Здесь же расположился штаб Приморской армии.
С первых дней обороны Одессы войска армии образовали три оборонительных сектора, каждый силами до дивизии. Артиллерия, штатная и приданная на усиление, кроме стационарных береговых батарей, включалась в состав секторов и распределялась по группам АПП стрелковых полков. Дальнобойные стационарные береговые батареи подчинялись непосредственно начальнику артиллерии армии (полковник Н. К. Рыжи) и образовывали группы АДД, в состав которой включался и 265-й корпусной артиллерийский полк майора Н. В. Богданова.
Силы Черноморского флота спешно готовились к обороне. В полной боевой готовности находились эсминцы: «Фрунзе», «Дзержинский», «Смышленый», «Бодрый», «Беспощадный», «Шаумян», «Незаможник», крейсер «Червона Украина», лидер «Ташкент» и другие корабли флота.
Из личного состава Одесской морской базы формировались 1-й морской полк — 1500 человек и 2-й морской полк в составе 750 человек. По приказу НК ВМФ № 00241 формировался отряд кораблей северо-западного района под командованием контр-адмирала Д. Д. Вдовиченко в составе: крейсера «Коминтерн», эсминцев «Шаумян» и «Незаможник», 5 тральщиков, 2 бронекатера и 4 блиндеров.
Подвижная артиллерия Одесской военно-морской базы в составе 40-го артиллерийского дивизиона и 65-й батареи была придана полку НКВД. Кроме того, 724-я и 36-я батареи подвижной артиллерии действовали в районе Люстдорфа и 726-я — в районе Крыжановки.
Оборонительный рубеж, занятый Приморской армией, полукольцом охватывал район Одессы и флангами упирался в Тилигульский и Днестровский лиманы. Части, оборонявшие Одессу, были лишены сухопутной связи с войсками Южного фронта, имея в тылу море. Главные усилия обороны командующий концентрировал на северо-западе от Одессы, откуда предполагался основной удар немецко-румынских войск. Резерв (1-я кавалерийская дивизия) командующий армией держал ближе к левому флангу обороны. Однако наличие хороших дорог и ровная местность давали возможность маневрировать резервом во всех направлениях, в том числе и на восток.
Слабость обороны заключалась в том, что войска вынуждены были защищаться на очень широком фронте. Сводный отряд комбрига Монахова удерживал, например, участок протяжением до 55 км, располагая для этого незначительными силами. В несравнимо лучших условиях оказалась 95-я Молдавская стрелковая дивизия — ее фронт равнялся 20 км.
О хорошем состоянии советских соединений можно было судить по степени боеготовности 95 сд. В непрерывных боях при отходе от реки Прут дивизия потеряла ранеными и убитыми более 7000 человек. Но благодаря полученному пополнению к середине августа 90-й и 241-й стрелковые полки насчитывали по 1100–1200 человек, а 161-й стрелковый полк — 3179 человек, то есть почти штатный состав. Дивизия имела два артиллерийских полка: 57-й легкий артполк на конной тяге (12 орудий 76-мм и 8 гаубиц 122-мм) и 134-й гаубичный полк на механизированной тяге (7 гаубиц 152-мм и 24 гаубицы 122-мм).
25-я Чапаевская стрелковая дивизия была укомплектована еще лучше. Вообще это было элитное соединение РККА. Чего стоят только одни названия полков: 54-й стрелковый полк — имени Степана Разина, или просто Разинский, 31-й стрелковый полк — Пугачевский имени Фурманова, 263-й стрелковый полк — Домашкинский имени Фрунзе (только 287 сп почетного наименования не имел). С воздуха район обороны прикрывался 15-й отдельной бригадой ПВО полковника И. Т. Шиленкова.
